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A: Der Stand der Technik bei der Speicherung von Wärme in Gebäuden
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Üblicherweise wird in Gebäuden Wärmeenergie in einem großen, zentral gelegenen Wasserboiler gespeichert, der viel Platz benötigt.
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Wasser bietet sich als Speichermedium in herausragender Weise an, da dieses Medium ungefährlich und die Wärmespeicherkapazität sehr hoch ist. Wasser kann 4190 Joule pro kg pro Grad speichern, Beton und Ziegel demgegenüber nur ca. 1000 Joule pro kg pro Grad, also das vierfache! Um 1000 Liter Wasser um 50 Grad Celsius zu erwärmen, benötigt man ca. 58 Kwh oder ca. 209 kJ oder ca. 50 kcal. Dieselbe Energiemenge wird auch wieder abgegeben, wenn warmes Wasser seine thermische Energie an eine kältere Umgebung abgibt. Bei einem Energiepreis von derzeit ca. 30 Cent pro Kilowattstunde kostet die Erwärmung von 1000 Litern also über 17 Euro!
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Durch die zunehmende Nutzung der Sonnenenergie für die Gebäudeheizung, sei es als thermische Solarheizung oder als Photovoltaikanlage, ergibt sich das Problem, Sonnenenergie so zu speichern, dass diese über einige „Schlechtwettertage“, oder wenigstens für die Abend- und Nachtstunden besonders in der „Übergangszeit“ im Frühjahr oder Herbst zur Verfügung steht. Um befriedigende Wärmemengen zu speichern ist aber mit der herkömmlichen Art und Weise der Wasserspeicherung ein großer oder sogar ein zusätzlicher Wärmeboiler notwendig, der viel Platz braucht und der auch teuer ist.
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Das hier beschriebene Wärmespeichersystem bietet eine relativ einfache, kostengünstige, platzsparende, flexible und skalierbare Lösung für dieses Problem an.
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B: Beschreibung der Erfindung
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Ein häufiges Problem: Tagsüber, wenn die Sonne scheint, ist ein Aufheizen einer Wohnung nicht notwendig, am Abend aber schon. Und für wenige „Schlechtwettertage“ reicht der Energiegehalt des vorhandenen zentralen Warmwasserboilers nicht aus, um die Wohnung warm zu halten. Es muss also mit teuer zugekauften und oft klimaschädlichen Energiequellen zusätzlich geheizt werden.
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Zur Lösung dieses Problems bietet sich geradezu an, ein ohnehin vorhandenes Gebäudevolumen für die Wärmespeicherung zu nutzen. Vorgefertigte und mit Wasser befüllbare Behältnisse - nachfolgend „Wärmespeichereinheit“ (1) genannt -, werden in ohnehin vorhandene Wände oder in einen nicht genutzten Platz in einem Haus eingebaut und per Schläuche oder Rohre miteinander zu einer Einheit, nachfolgend „Wärmespeicher-System“ genannt, verbunden. Ca. 1000 Liter Wasser finden Platz in einem Volumen von nur 2,5 Meter *2 Meter * 20 cm, also bereits in einer relativ kurzen Wand!
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Die einzelnen Wärmespeichereinheiten haben einen Zu- (3) und einen Abfluss (2) und können in beliebigen Größen mit unterschiedlichen statischen Eigenschaften hergestellt und angeboten werden. Auch die äußere Form dieser Elemente kann sich in weiten Grenzen an bestehende bautechnische Vorgaben richten. Zusätzlich sollten diese Elemente so beschaffen sein, dass das Stapeln mehrerer Einheiten möglich ist. Die Temperaturen, die üblicherweise in Heizkreisläufen von Gebäuden vorkommen, dürfen für diese Behältnisse kein Problem sein. Die maximal im Betrieb erreichte Temperatur in den Wärmespeichereinheiten wird vom zentralen Warmwasserboiler limitiert und zusätzlich per Software festgelegt. Auch Drücke, wie sie üblicherweise in Heizungsanlagen vorkommen, müssen diese Behältnisse aushalten. Ausbeulungen der Wände auf Grund des Innendrucks in einem Behältnis sind tolerierbar, da dies recht leicht durch die Art des Einbaus verhindert werden kann.
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Die Zu- und Ableitung eines Wärmespeicherelements ist so gestaltet, dass eine dauerhafte und zuverlässige Verbindung der Einheiten untereinander möglich ist. Verschiedenste technische Lösungsmöglichkeiten sind dabei möglich; es bietet sich an, dass geeignete Anschlussstutzen an den Wärmespeichereinheiten bereits „werksseitig“ angebracht sind. Auf alle weiteren Öffnungen in diesen Speichereinheiten sollte verzichtet werden, um die Möglichkeit mechanischer Schwachstellen zu minimieren und um eine optimale Stabilität und Dichtigkeit langfristig zu gewährleisten. Alle verwendeten Materialien einschließlich der verwendeten Verbindungsschläuche müssen eine jahrzehntelange Betriebssicherheit gewährleisten. Die Verbindung der Wärmespeichereinheiten untereinander wird mit mit Rohren oder Schläuchen hergestellt, die am einfachsten an vorhandene Anschlussstutzen mit Kabelschellen sicher mit den Behältnissen verbunden werden.
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Die Zu- und Abflussöffnung eines Wärmespeicherelements sollte eine gewisse räumliche Distanz aufweisen, damit eine gute thermische Durchmischung des zirkulierenden Wassers innerhalb einer Wärmespeichereinheit gewährleistet ist.
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Mindestens am ersten, am zweiten und am letzten Gefäß des gesamten Wärmespeichersystems wird beim Bau dieser Anlage jeweils ein Temperatursensor angebracht und mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden.
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Am ersten Gefäß kann auch ein Heizdraht innerhalb des Gefäßes verbaut sein, so dass für besondere Ausnahmefälle auch eine elektrische Beheizung des Wärmespeichersystems möglich ist.
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Am Zu- oder am Ablauf dieses Wärmespeichersystems befinden sich eine Pumpe (6) und ein Umschaltventil (7). Die Funktion wird z.B. von einem Mikroprozessor gesteuert.
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Das gesamte Wärmespeichersystem wird an eine Warmwasser-Wärmequelle angeschlossen (4 ,5). Dies ist meist der zentrale Warmwasserboiler eines Gebäudes.
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Drei Schaltzustände sind möglich, die über eine geeignete Software herbeigeführt werden können:
- Modus 1: Pumpe (6) aus.
- Modus 2: Pumpe ein und Umschaltventil (7) so gestellt, dass das Wasser in den Wärmespeichereinheiten (1) zur gleichmäßigen Wärmeverteilung innerhalb der Elemente nur umgewälzt wird.
- Modus 3: Pumpe ein und Umschaltventil so gestellt, dass Wasser für die Wärmespeichereinheiten aus einem zentralen Boiler zugeführt werden kann oder auch Wärmeenergie dem zentralen Boiler wieder rückgeführt werden kann.
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Bei allen drei Schaltzuständen wird vorher gespeicherte Wärmeenergie passiv den anliegenden Räumen zugeführt.
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Diese Anlage kann aber auch nur zur Speicherung thermischer Energie dienen ohne Räume direkt zu temperieren. Dann sind die Wärmeelemente möglichst gut zu isolieren, so dass die gespeicherte Wärme möglichst verlustfrei wieder dem zentralen Wasserboiler des Hauses zurück geführt werden kann.
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Die Steuersoftware ist nicht Bestandteil dieses Patents.
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C: Praktische Anwendung / Einsatzbereich
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Die beschriebenen Wärmespeicherelemente können das Energieangebot der Sonne während der Sonnenstunden für den Abend, für die Nachtstunden oder für wenige Tage auf sehr einfache Weise nutzbar machen, da die gespeicherte Wärmeenergie von sonnigen Tagen dann verzögert am Abend wieder abgeben wird. Besonders in der Übergangszeit im Frühjahr und im Herbst kann so überschüssige Sonnenenergie für das Heizen einer Wohnung optimal genutzt werden. Auf zusätzliches Heizen mit teuer zugekaufter Energie kann so viele Monate des Jahres gänzlich verzichtet werden.
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Im Bereich des Trockenbaus oder durch die Fertigbauweise sind die physikalischen Massen der Gebäude relativ klein. Deshalb ist die bauseits vorhandene Wärmespeicherkapazität derartiger Häuser ebenfalls nicht groß. Auf diese Weise gleichen sich die Temperaturen in diesen Gebäuden trotz guter Wärmedämmung der Gebäudehülle relativ schnell den Außentemperaturen an.
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Im Bereich der Photovoltaik besteht eine Problematik zusätzlich oft darin, dass die erzeugte elektrische Energie sehr teuer wird, wenn nennenswerte Energiemengen in einem Akku gespeichert werden sollen. Insbesondere bei kleinen Photovoltaiklösungen ist aktuell ein Batteriespeicher grundsätzlich noch unwirtschaftlich. Auch fallen derzeit viele seit Jahren bestehende Photovoltaikanlagen aus der staatlichen Förderung (EEG-Gesetz) und für viele Besitzer derartiger „alter“ Solaranlagen lohnt sich die Anschaffung eines eigenen Batterie-Speichers nicht, um überschüssigen Strom selber verbrauchen zu können. Auch der bürokratische Aufwand, kleine Solaranlagen für eine Netzeinspeisung anzumelden, ist sehr groß.
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Steht aber eine Speichermöglichkeit dieses Überschusses an Energie aus der Photovoltaikanlage wenigstens in Form von thermischer Energie einfach und kostengünstig zur Verfügung, dann kann die Sonnenenergie, die durch eine Photovoltaikanlage zunächst in Form von elektrischer Energie vorliegt, wenigstens wieder in thermische Energie umgewandelt und in diesen Wärmeelementen einfach und kostengünstig gespeichert werden. Dies geschieht entweder in direkter Form mit einem Heizdraht im ersten Element dieses Wärmespeichersystems oder - viel besser - mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, die zunächst den zentralen Boiler des Hauses füllt und dieser dann wiederum das hier beschriebene Wärmespeichersystem.
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Das Beheizen des Wärmespeichersystems selbst erfolgt meist über den üblicherweise ohnehin vorhandenen zentralen Wasserboiler des Hauses. Dieser Boiler erhält seine Wärmeenergie durch die bestehende Heizungsanlage, idealerweise durch eine vorhandene Wärmepumpe, die ihre Energie am besten aus einer Photovoltaikanlage bezieht, oder über eine thermische Solaranlage.
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Für wirkliche Ausnahmefälle könnten die Wärmespeichereinheiten auch „direkt“ elektrisch beheizt werden: In der Wärmespeichereinheit, die als erste vom zufließenden Wasser durchflossen wird, kann im Inneren ein Heizdraht (z.B. Kanthaldraht) verbaut sein, mit dem der Gefäßinhalt auch direkt elektrisch beheizt werden kann. Sinnvoll ist das aber wohl nur, wenn ein ohnehin sonst verworfener Energieüberschuss durch die Photovoltaikanlage zur Verfügung steht und keine Wärmepumpe zur Effektivitätssteigerung der elektrischen Energie vorhanden ist. Bei entsprechender Auslegung des ohmschen Widerstandes des Heizdrahtes kann die elektrische Energie der Photovoltaik-Paneelen sogar direkt, also ohne Verwendung von einem z.B. MPPT Solarregler, einer Wärmespeichereinheit zugeführt werden.
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Damit die Anlage von (z.B.) einem Mikroprozessor gesteuert werden kann, werden folgende Parameter verarbeitet:
- 1. Temperatur im zentralen Wasserboiler des Hauses
- 2. Temperatur der „ersten“ Wärmespeichereinheit.
- 3. Temperatur der „zweiten“ Wärmespeichereinheit.
- 4. Temperatur der „letzten“ Wärmespeichereinheit.
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Durch den Anwender eingestellt werden kann:
- 5. Die maximal zugelassene Temperatur in den Wärmespeichereinheiten.
- 6. Die Temperatur im zentralen Boiler, ab der erst Wärme in das Wärmespeichersystem abgegeben oder aber auch unter der Wärme dem Boiler wieder zugeführt werden soll.
- 7. Die Wärmedifferenz zwischen dem zentralen Boiler und den Wärmespeichersystem, ab der warmes Wasser in die Wärmespeichereinheiten abgegeben oder dem Boiler zurückgeführt wird.
- 7. Die Temperatur, unter der der zentrale Boiler keine Energie mehr abgibt.
- 9. Die tolerierte Wärmedifferenz zwischen der ersten, der zweiten und der letzten Speichereinheit ab der eine Software-gesteuerte „Umwälzfunktion“ aktiv wird.
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Fest eingestellt ist eine maximal „erlaubte“ Temperatur in den Wärmespeichereinheiten. Zusätzlich kann diese Anlage mit einem mechanischen Schalter, der die Pumpe von der Stromversorgung trennt, vollständig elektrisch abgeschaltet werden.
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Mit Hilfe dieser Daten und den Schaltmöglichkeiten kann ein (z.B.) Mikroprozessor, der diese Anlage steuert, eine Vielzahl von unterschiedlichen Anforderungen so erfüllen, so dass eine optimale Wärmeversorgung des Hauses gewährleistet ist. Auch ein „Rückspeisen“ von warmen Wasser in den Hausboiler ist möglich, eventuell über ein weiteres, gesondertes und optimal isoliertes Wärmespeichersystem.
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Die steuernde Elektronik kontrolliert ständig die Temperaturen der ersten, zweiten und letzten Wärmespeichereinheit. Eine Umwälzfunktion innerhalb dieser Wärmespeicherelemente, die die Temperaturdifferenzen zwischen den Wärmespeichereinheiten nicht zu groß werden lässt, wird immer dann per Mikroprozessor aktiviert, wenn eine bestimmte vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen erster, zweiter und letzter Speichereinheit überschritten wird.
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Sollten nur zwei Wärmespeichereinheiten zu einem Verbund verbaut sein, dann ist eine geringfügig modifizierte Steuersoftware nötig.
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Dem Anbieter dieses Wärmespeichersystems steht es frei, die Steuersoftware nach seinen Wünschen zu gestalten und zu optimieren.
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Die gewünschte Temperatur im Wohnbereich des Hauses kann auf verschiedene Weise erfolgen:
- 1. Durch die Temperatur des Wassers in den Wärmespeichereinheiten.
- 2. Durch die Isolierung der Wärmespeichereinheiten zum Raum hin. Trennt die beheizte Wand z.B. das Wohnzimmer vom Schlafzimmer, dann kann die Isolierung zum Wohnzimmer hin geringer ausgestaltet sein als zum Schlafzimmer. Das Wohnzimmer wird so wärmer als das Schlafzimmer.
- 3. Durch eventuell steuerbare Lüftungsschlitze in der beheizten Wand am Boden und an der Decke, so dass die warme Luft im Bereich des Wärmespeichersystems mit der Raumluft zirkulieren kann.
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Sollte das Wärmespeichersystem aber in erster Linie nur dazu dienen, Reserven für den zentralen Boiler bereit zu halten, dann muss die Isolierung möglichst effektiv sein.
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Die Wärmespeicherkapazität eines Hauses könnte, wie oben schon erwähnt, mit dem hier beschriebenen Wärmespeichersystem mit relativ kleinem Aufwand sehr einfach erheblich vergrößert werden. Eine 2,5 Meter lange Wand kann bereits bis zu 1000 Liter Wasser aufnehmen!
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Anwendungsmöglichkeiten für dieses Wärmespeichersystem gibt es aber nicht nur im Bereich des Trockenbaus oder bei Fertighäusern. Auch bei einer konventionell gemauerte Wand können problemlos in den Wänden Lücken gelassen werden, in die diese Wärmespeichereinheiten eingebracht werden können.
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Und dabei kann dieses Wärmespeichersystem nicht nur in Wänden untergebracht werden! Jeder ungenutzte Platz in einem Gebäude kann derartige Wärmespeichereinheiten aufnehmen, die dann an eine bestehende Heizungsanlage sehr einfach angeschlossen werden können. Man denke nur an eine „Fensterbank“, die z.B. ca. 2,5 Meter lang, ca. 70 cm breit und ca. 70 cm hoch ist: Allein hier ergibt sich eine mögliche Speicherkapazität von bis zu ca. 1200 Liter Wasser! Auch ein oft ungenutzter Raum einer Ecksitzgruppe könnte als Wärmespeicher genutzt werden.
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Auch ein nachträglicher Einbau dieses Wärmespeichersystems ist ohne großen Aufwand möglich und auch sinnvoll, wenn ungenutzter Platz in einem Gebäude zur Verfügung steht. Zu realisieren ist dies meist sogar ohne große Baumaßnahmen, weil über ein vorhandenes Heizungssystem und die daran angeschlossenen Heizkörper ein direkter Zugang zum zentralen Warmwasserboiler ohnehin vorhanden ist. Mit zwei einfachen T-Stücken kann das hier beschriebene Wärmespeichersystem an vielen Stellen eines Gebäudes sehr leicht mit dem zentralen Boiler verbunden werden.
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Abschließend erwähnt werden soll noch, dass das Anbringen von z.B. Bildern an einer Wand, die Wärmespeichereinheiten enthält, problematisch sein kann. Die Behältnisse könnten verletzt werden. Hier ist der Einsatz entsprechender Hohlraumdübel notwendig. Kleine Platten aus Metall an einer definierten Stelle eines Elements angebracht können helfen, die Position der Wärmespeichereinheiten auch nach dem Einbau noch leicht zu finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmespeichereinheit
- 2
- Ablauföffnung einer Wärmespeichereinheit (hier mit Anschlussstutzen)
- 3
- Zulauföffnung einer Wärmespeichereinheit (hier mit Anschlussstutzen)
- 4
- Ablauf des gesamten Wärmespeichersystems zu einer Warmwasserquelle (meist zentraler Warmwasserboiler)
- 5
- Zulauf des gesamten Wärmespeichersystems von einer externen Warmwasserquelle (meist zentraler Warmwasserboiler)
- 6
- Wasserpumpe
- 7
- Umschaltventil (Umwälzfunktion oder Verbindung mit einer externen Warmwasserquelle)
